Radiation-induced effects on polymeric matrices for industrial, biomedical and environmental applications

Plastics have successfully penetrated the global market thanks to their simple and cost-effective processing along with outstanding properties, versatility, light weight, resistance to physical aging and biological attack. Most of the conventional petrochemical-based plastics are not biodegradable and the production of ecofriendly plastics, with high degree of degradability and bio-based, is still limited by the high production costs along with the poorer properties. The importance of enhancing the degradability of plastic recently gained attention due to the large amount of plastic waste that goes into the environment every year and damage environmental, animal and human health. It is well known that ionizing radiations affect polymer properties and they could potentially represent an efficient strategy to affect and enhance the bio-compostability of plastic waste. The aim of the present PhD project is to investigate morphological and nano-structural changes induced by ionizing radiation on aliphatic polymers in order to evaluate if a radiation-based pretreatment could efficiently affect the biodegradability in compost. Three polymeric systems were considered, with a different rate of biodegradation: months, years and decades. The investigations performed allow to deduct some general observations. According to the polymer structure, different absorbed doses or irradiation environments could be required to efficiently affect biodegradation. Ionizing radiation can induce modifications of the chemical structure of the polymer by the creation of radicals and oxidation products. The degradation of the molecular weight appears to be enhanced when the structure of the polymer is characterized by the presence of functional groups (i.e. thiodiethylene). The increase of surface wettability, even in the case of slow degrading polymers thanks to the formation of new functional groups, is related to a higher degradability. The radiation induced modifications of the crystalline fraction seem not to produce a negative effect on biodegradability. As long as the stability of the system is increased, the degradation requires higher absorbed doses, but changing the irradiation environment could become determinant to significantly modify the degradation. Oxidative environments favor degradation, in particular oxygen atmosphere but also hydrogen peroxide solutions. The treatment in water efficiently affects the polymer surface leading to a better enhancement of wettability. Disintegration test results evidenced a variation of the biodegradation rate of the treated systems, more evident as the incubation period increases. Limited to the preliminary data acquired, irradiation under specific reactive conditions seems to be effective towards biodegradation also in the case of recalcitrant polymers.

La plastica è un materiale sintetico diventato di fondamentale importanza in diversi settori grazie alle sue molteplici proprietà (versatilità, leggerezza, resistenza all’invecchiamento e all’attacco biologico), affiancate alla riproducibilità del processo di produzione e ad un basso costo. La maggior parte della plastica convenzionale di origine fossile è non biodegradabile e la produzione di plastiche ecologiche, con alti gradi di degradazione e create a partire da materiali rinnovabili, è ancora limitata dagli elevati costi di produzione associati a ridotte proprietà rispetto alle plastiche convenzionali. L’importanza di aumentare la degradabilità delle plastiche ha recentemente riscosso attenzione a causa dell’elevata quantità di rifiuti plastici che finiscono nell’ambiente ogni anno, comportando rischi per la salute umana, animale e ambientale. È noto che le radiazioni ionizzanti modificano le proprietà dei polimeri; queste potrebbero potenzialmente rappresentare una strategia efficiente per modificare ed aumentare la compostabilità di rifiuti plastici. Lo scopo del presente progetto di dottorato è quello di investigare le modifiche morfologiche e nano-strutturali indotte dalle radiazioni ionizzanti su polimeri alifatici per valutare se un pretrattamento con radiazioni potrebbe efficientemente modificare la loro biodegradabilità in compost. Sono stati selezionati tre sistemi polimerici caratterizzati da una diversa velocità di biodegradazione: mesi, anni e decenni. Le indagini condotte hanno permesso di dedurre alcune osservazioni generali. In base alla diversa struttura del polimero, diverse dosi assorbite o diversi ambienti di irraggiamento possono essere necessari per influenzare positivamente la biodegradazione. Le radiazioni ionizzanti possono indurre modifiche della struttura chimica del polimero grazie alla creazione di radicali e di prodotti di ossidazione. La degradazione del peso molecolare sembra essere accentuata quando la struttura del polimero è caratterizzata dalla presenza di gruppi funzionali (i.e. tiodietilene). L’aumento di bagnabilità superficiale, anche nel caso di polimeri a lenta biodegradazione, grazie alla formazione di nuovi gruppi funzionali, è associato ad una più alta degradabilità. Le modifiche indotte dall’irraggiamento sulla cristallinità del polimero non sembrano influenzare negativamente il processo di biodegradazione. Man mano che la stabilità del sistema aumenta, la degradazione necessita di dosi assorbite più elevate ma un’opportuna variazione dell’ambiente di irraggiamento può essere determinante nel modificare significativamente la degradazione. Gli ambienti ossidativi favoriscono la degradazione, in particolare l’atmosfera di ossigeno e soluzioni di acqua ossigenata. Il trattamento in acqua agisce efficacemente sulle proprietà superficiali inducendo un aumento di bagnabilità della superficie del polimero. I test di disintegrazione in compost evidenziano una variazione della velocità di biodegradazione dei sistemi trattati, più marcata all’aumentare del periodo di incubazione. Limitatamente ai preliminari dati acquisiti, l’irraggiamento in specifiche condizioni reattive appare essere efficace nell’aumentare la biodegradazione anche nel caso di polimeri recalcitranti.